Двадцать пять лет назад физик-новичок Хуан Мальдесена выдвинул невероятную идею: а что если пространство-время, сама ткань нашей Вселенной, на самом деле – голограмма? Тогда казалось, что ученые додумывают что-то невозможное. Сегодня выясняется: идея оказалась не просто мощной фантазией, а одним из самых важных прорывов в физике последних десятилетий. Ученые поняли, что «голографическая вселенная» может помочь ответить на важнейшие вопросы – от загадок чёрных дыр до поиска единой теории, совмещающей квантовую физику и гравитацию. При этом они не довольствуются словами – в последние годы физики начали искать, как проверить эту гипотезу в реальном мире.
Голографический принцип во многом черпает вдохновение из работ 1990-х. Ключ к идее дал мир чёрных дыр: известно, что энтропия чёрной дыры пропорциональна площади её горизонта, а не объёму. То есть количество информации в чёрной дыре растёт как площадь, а не как привычный трёхмерный объём. Это натолкнуло физиков на мысль: возможно, вся информация о том, что происходит в объёме пространства, на самом деле «записана» на его границе. Такой принцип напомнил о голограммах в кино: на плоской пленке можно зашифровать объёмное изображение.
В 1997 году Хуан Мальдесена из Института перспективных исследований в Принстоне воплотил эту идею в математику. Он заметил, что двухмерная система без гравитации может описывать то же, что и трёхмерный мир с гравитацией. Мальдесена сравнил невообразимые объекты из теории струн – так называемые D-брейн – в двух разных описаниях.
В одном описании частицы и поля слабо взаимодействуют в «гладком» мире без гравитации, а в другом они живут в пространстве с дополнительным измерением и искривлением – там присутствует гравитация. Оказалось: несмотря на разницу, обе теории на удивление эквивалентны и описывают одну и ту же физическую реальность. По сути, это означало: физики получили два взгляда на один и тот же мир – и один из них оказался гораздо проще в вычислениях.
Мальдесена изложил свою идею в научной статье, но многие восприняли её сначала с недоверием: как мог ненагравитационный квантовый мир оказаться тем же самым, что и мир с гравитацией? Однако со временем стало ясно – AdS/CFT-дуальность, как стали называть это открытие (название происходит от «анти-де Ситтер / конформная теория поля»), выстояла десятки проверок. Она позволила физикам решать задачи, раньше недоступные: например, схлестнуться с пресловутой «информационной парадоксом» чёрных дыр.
Один из первых и ярких примеров – чёрные дыры. Стивен Хокинг в 1970-х показал, что чёрная дыра излучает так называемые тепловые частицы (излучение Хокинга), и со временем должна испариться. Но тогда встает вопрос: куда исчезает информация о материи, поглощённой чёрной дырой? Согласно законам квантовой механики, информация не должна пропадать бесследно, а классическое описание чёрной дыры предсказывало её потерю. Решение пришло из голографии: в 2006 году Шинсэй Рю и Тадаши Такаяннаги нашли связь между двумя числами в разных описаниях.
Они показали, что площадь особой поверхности, окружающей чёрную дыру в «голографическом» описании с гравитацией, равна энтропии запутанности (количеству взаимосвязанной информации) в эквивалентном квантовом описании без гравитации. Это означало, что при испарении чёрной дыры меняется её поверхность – и точно так же меняется запутанность в «квантовом мире».
Поскольку квантовая запутанность эволюционирует так, чтобы сохранять информацию, «голографический» расчёт показал – информация не теряется и у чёрной дыры. Позже, в 2014–2019 годах, Нэта Энгельхардт и Арон Уолл уточнили эту идею с учётом мелких квантовых поправок: они учли «квантовые экстремальные поверхности», подтвердив, что при любых условиях информация остаётся сохранной. Без AdS/CFT-фреймворка физики вряд ли бы так далеко продвинулись в решении парадокса Хокинга.
Но голография оказалась полезна не только в чёрных дырах. Её идеи привели к поразительному выводу: само пространство и время могут быть не фундаментальными величинами, а «всплывающим» из более глубинного квантового мира. Представьте себе разбавленную газовую смесь из молекул воды: в таком виде её уравнения не описывают жидкость. Но когда молекулы конденсируются в воду, начинает действовать гидродинамика. Аналогично, в квантовой теории без пространства и без энтропии вы не можете описать гравитацию – её просто нет.
Однако если подсистемы начинают запутываться друг с другом, на «гравитационной стороне» появляются кусочки пространства. При дальнейшем усилении запутанности эти кусочки объединяются, и возникает целое пространственно-временное полотно. Иными словами, запутанность и квантовая информация творят пространство. «Когда исчезает вся квантовая запутанность, исчезает и само пространство», – отмечает ван Раамсдонк.
Сегодня энтузиасты AdS/CFT задают следующий вопрос: может ли подобная двойственность объяснить и нашу Вселенную? Модель Мальдасены описывает так называемое анти-де Ситтерово пространство, где пустота обладает постоянной отрицательной кривизной. Наша же Вселенная, судя по всему, стремится к ровному пространству или даже положительной кривизне (вплоть до бесконечного расширения). Физики пытаются общую идею распространить и на такой «де Ситтеров» случай, но пока универсальной формулы не найдено.
Тем не менее на практике уже есть любопытные применения. Например, если представить, что раннее расширение Вселенной (инфляция) длилось дольше обычного (больше ~60 «экспоненциальных приращений объёма»), тогда начальное состояние пространства было бы сильно взаимодействующим, то есть классические методы там не работают. Португалец Хорациу Настазе из бразильского университета Сан-Паулу применил AdS/CFT для расчёта такого сценария: упростив входную часть на одном конце соответствия, он смог вывести, как выглядело бы пространство после 70–72 «э-фолдов».
Модель Настазе при некоторой настройке показывает ту же картину флуктуаций космического микроволнового фона, что и наши наблюдения. Пока это черновой результат, «работа ещё в процессе», говорит сам учёный. Но в нём уже видна идея: даже для устройства нашей Вселенной методы голографической теории могут дать рабочие предсказания.
Идут и более смелые попытки проверить голографию прямо «в природе». Группы учёных анализируют данные космического микроволнового фона, смотрят на гравитационные волны и квантовые системы, пытаясь уловить эффекты, которые возникли бы, если пространство действительно «записано» на границе. В 2017 году исследования физиков из Великобритании, Канады и Италии отметили: наблюдаемые флуктуации реликтового излучения можно так же хорошо описать голографической моделью, как и классической инфляционной теорией. Это не доказательство, но намёк – что принцип голографии вообще может работать в нашем мире.
Post Scriptum
Итак, гипотеза о голографическом устройстве Вселенной продолжает волновать умы. За 25 лет после Мальдасены она перешла из разряда «дикой спекуляции» к инструменту глубокого анализа: физики решили, что одна и та же информация о мире может жить и в гравитационном объёме, и на ненагравитационной границе. Такая двоякость помогает решать непростые задачи – и подсказала поразительный взгляд на реальность: возможно, мы живём в «тени» более фундаментального квантового мира.
Пока что прямых доказательств нет, и многие вопросы остаются открытыми. Но сегодня лидеры голографической школы полны оптимизма: если удастся адаптировать идею под реальную Вселенную, это станет не меньшим переворотом, чем открытие квантовой механики или теории относительности.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.